淺談邊緣融合大屏幕無縫拼接技術(shù)

朱繼鳴

（武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢430015）

1 概述

隨著顯示技術(shù)與控制技術(shù)的不斷融合和發(fā)展，在高端的工程領(lǐng)域，通過拼接而成的大屏幕顯示圖像得到了廣泛的應(yīng)用，它所帶來的超大畫面、多屏顯示以及清晰、逼真的顯示效果使得模擬仿真、安防、會議、監(jiān)控等領(lǐng)域的工作效率得到大幅改善，同時也促進(jìn)了這些行業(yè)的技術(shù)水平快速進(jìn)步。

但是傳統(tǒng)的電視墻、投影硬拼接屏和箱體拼接墻等大屏幕拼接技術(shù)存在畫面有物理縫隙、色調(diào)不統(tǒng)一等問題，很難滿足人們對亮麗的超大畫面、完整畫面、純真的色彩及高分辨率顯示效果追求的要求。而如今迅速崛起的邊緣融合技術(shù)能有效解決大屏幕無縫拼接問題，它更好的改善了拼接圖像的視覺效果。本文將對邊緣融合大屏幕無縫拼接技術(shù)的概念和發(fā)展、技術(shù)特點、實現(xiàn)方式、系統(tǒng)組成和設(shè)備選型、設(shè)計和應(yīng)用維護等方面作全面介紹。

2 無縫拼接技術(shù)概念及發(fā)展

無縫拼接技術(shù)是一種最新的大屏幕拼接技術(shù)，主要是指整幅投影畫面由不同的投影機投射畫面拼接組成，每個單獨的投影畫面拼接中有著投影光線和畫面內(nèi)容的重疊部分，通過軟硬件的結(jié)合處理，消除光線重合部分的多余亮度，從而確保整幅畫面上面沒有任何接縫，亮度均勻一致，給觀眾完美的視覺沖擊。通常情況下，采用無縫拼接技術(shù)處理的大屏幕拼接系統(tǒng)中首先確保屏幕是整張無縫的，整幅投影畫面沒有光學(xué)拼縫和物理拼縫。

無縫拼接技術(shù)的發(fā)展共經(jīng)歷了純硬件融合技術(shù)、純軟件融合技術(shù)和軟硬件融合技術(shù)三個階段。純硬件融合技術(shù)是通過光學(xué)的遮光處理來融合圖像，純軟件融合技術(shù)是通過電子線路的處理來完成圖像的融合，軟硬件融合技術(shù)是指既有光學(xué)遮光融合處理，又有電子融合處理。由于硬件融合能較好地處理融合圖像的黑平衡，而軟件融合能較好處理圖像的白平衡，這兩者相結(jié)合的軟硬件融合技術(shù)就能夠比較完美地實現(xiàn)融合部分色彩圖像的真實再現(xiàn)。

從拼接效果上來說，無縫拼接技術(shù)也經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：硬邊拼接、重疊拼接和邊緣融合拼接。

2.1 硬邊拼接：即兩臺投影儀的邊沿對齊，無重疊部分。顯示效果上表現(xiàn)為整幅畫面被一道縫分割開。如果投影儀邊緣未做亮度增強處理，該接縫顯示為黑色；如果投影儀邊緣做了亮度增強處理，該接縫顯示為白色。硬邊拼接有明顯分割線(即物理拼縫)，無法實現(xiàn)全景的一體化顯示。

2.2 重疊拼接：即兩臺投影儀的畫面有部分重疊，但沒有作淡進(jìn)淡出處理，因此重疊部分的亮度為整幅畫面其余部分的2倍，在顯示效果上表現(xiàn)為重疊部分為一亮條，即兩臺投影機投出的圖像在拼合處以疊加的方式重疊。這種拼接顯然存在著拼合處由于亮度疊加而出現(xiàn)過亮區(qū)域的弊病，影響到無縫效果的實現(xiàn)。

2.3 邊緣融合拼接：與簡單重疊方法相比，左投影儀的右邊重疊部分的亮度線性衰減，右投影儀的左邊重疊部分的亮度線性增加。在顯示效果上表現(xiàn)為整幅畫面亮度完全一致。通過邊緣融合技術(shù)的處理，既實現(xiàn)了兩邊的完全融合，又消除了重疊拼接引起的過亮區(qū)域，并且邊緣融合拼接可以適應(yīng)平面、柱面、球面等各種曲面形狀的拼接，具有更加廣泛的適用性。

3 邊緣融合技術(shù)的特點

3.1 顯示畫面大，畫面完整性強

多臺投影機拼接投射出來的畫面一定比單臺投影機投射出來的畫面尺寸更大，顯示區(qū)域更廣，實用性更強；鮮艷靚麗的畫面，能帶給人們不同凡響的視覺沖擊，采用無縫邊緣融合技術(shù)拼接而成的畫面，很大程度上保證了畫面的完美性和色彩的一致性。

3.2 提高畫面整體分辨率

每臺投影機投射整幅圖像的一部分，這樣展現(xiàn)出的圖像分辨率提高了。比如，一臺投影機的物理分辨率是800x600，三臺投影機融合25%后，圖像的分辨率就變成了2000x600。

3.3 超高分辨率

利用帶有多通道高分辨率輸出的圖像處理器、計算機及投影機矩陣，可以產(chǎn)生每通道為1600x1200像素的三個或更多通道的合成圖像。如果融合25%的像素，可以通過減去多余的交疊像素產(chǎn)生的4000x1200分辨率圖像。目前市場上還沒有可在如此高的分辨率下操作的獨立顯示器。

3.4 縮短投影距離

隨著無縫拼接的出現(xiàn)，投影距離的縮短變成必然。比如，原來200英寸（4000x3000mm）的屏幕，如果要求沒有物理和光學(xué)拼縫，我們將只能采用一臺投影機，投影距離=鏡頭焦距x屏幕寬度，采用光角鏡頭1.2:1，我們的投影距離也要4.8米，現(xiàn)在，我們采用了邊緣融合技術(shù)，同樣畫面沒有各種縫痕，我們的距離只需要2.4米。

4 邊緣融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)拼接的差異

邊緣融合拼接系統(tǒng)和傳統(tǒng)拼接相比較，主要有以下差異：

4.1 在傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)中，由于采用多塊單獨屏幕組成一個屏幕顯示體，各個屏幕之間雖然采用同一材料，但是由于制作時間、制作環(huán)境上的不同，使得不同屏幕的熱脹冷縮存在客觀差異，這就導(dǎo)致整個系統(tǒng)在使用一段時間后會出現(xiàn)一些小的物理變化，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和效果。而融合拼接由于采用了一整塊屏幕，制作時間、材料、工藝水平完全一致，從而消除了上述隱患。

4.2 在融合拼接中，由于采用整幅屏幕，所以消除了傳統(tǒng)拼接存在的屏幕間的物理縫隙，使得屏幕顯示圖像整幅保持完整，無人為分割。而采用融合處理技術(shù)后，更消除了光學(xué)縫隙，這樣和普通硬拼接系統(tǒng)相比，在技術(shù)水平和顯示效果上，就有了質(zhì)的差異和提高，從而使顯示的圖像完全一致，無任何物理或光學(xué)分割，保證了顯示圖像的完整性和美觀性。這在顯示地圖、圖紙等圖像信息時更為重要，因為在圖紙、地圖上存在大量的線條或路線等，而屏幕縫隙和光學(xué)縫隙就會造成圖像顯示污染，容易使觀察人員把顯示的圖像線條和拼接系統(tǒng)本身的線條誤為一體，導(dǎo)致決策和研究失誤。而通過融合處理，就可以避免出現(xiàn)這種情況。

4.3 在融合拼接系統(tǒng)中，所有圖像都經(jīng)過融合處理器進(jìn)行了校正和統(tǒng)一，這樣在大屏幕上進(jìn)行圖像顯示和切換時，無論切換什么格式的圖像，整個屏幕的亮度、色彩、鮮艷度、均勻度都比較一致，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的由于信號更換而導(dǎo)致系統(tǒng)顯示質(zhì)量的變化。

4.4 在融合拼接系統(tǒng)中，由于在處理器中對投影顯示圖像進(jìn)行了處理，可以對不同投影信號間的色差、亮差、均勻度進(jìn)行調(diào)整，這也使得該系統(tǒng)顯示的圖像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)。

4.5 邊緣融合圖像處理器除了具有邊緣融合和圖像多畫面處理功能外，還具有圖像存儲和調(diào)用功能，可以把本身存儲的高分辨率圖像直接作為大屏幕系統(tǒng)的背景進(jìn)行顯示，這在實際使用中非常有實用價值。

邊緣融合拼接系統(tǒng)與傳統(tǒng)拼接畫面比較如下：

5 邊緣融合的實現(xiàn)方式

邊緣融合系統(tǒng)中主要是圖像部分必須有一定的重合，俗稱為融合帶，重合尺寸按照實踐經(jīng)驗和理論值，一般為10%-20%。根據(jù)屏幕大小、屏幕質(zhì)量、投影機的分辨率、融邊器等參數(shù)，會有所不同。邊緣融合系統(tǒng)中的融合帶寬窄，直接影響了整幅畫面的亮度均勻性和色彩一致性，所以，選擇合適的融邊帶尺寸，非常重要。組成邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)中的每臺投影機都必須投射出融合帶的區(qū)域圖像部分，然后，經(jīng)過專業(yè)邊緣融合處理設(shè)備，再次進(jìn)行融合區(qū)域的光亮度、色彩等參數(shù)的調(diào)試，確保整幅圖像的一致性。

在實際應(yīng)用中通常會有以下三種方式：

5.1 寬視角的排列；

5.2 多臺投影機垂直堆積產(chǎn)生縱向的顯示畫面；

5.3 多臺投影機堆積出更高更寬幅的超大畫面。

6 邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)的組成和設(shè)備選型

邊緣融合系統(tǒng)大屏幕無縫拼接系統(tǒng)由屏幕、投影機、邊緣融合拼接處理器、信號處理設(shè)備、集中控制設(shè)備及周邊設(shè)備組成。屏幕選擇至關(guān)重要，首先確保屏幕整張無縫，才可以確保畫面的完美顯示。投影機的畫面質(zhì)量直接影響到大屏幕的顯示效果，盡可能采用3-DMD技術(shù)的投影機，確保良好的色彩還原性。邊緣融合圖像處理器主要決定大屏幕畫面顯示的內(nèi)容和速度，處理器的好壞，對于信號源的處理速度、畫面的清晰度、邊緣融合的質(zhì)量，都有著不可低估的作用。信號處理設(shè)備包括信號源類型的轉(zhuǎn)換，信號的切換，信號的放大與傳輸?shù)龋瑢τ诖笃聊划嬅娴娘@示非常重要。大屏幕拼接系統(tǒng)中設(shè)備種類繁多，投影機的數(shù)量、矩陣的數(shù)量、信號源的數(shù)量都比較多，集中控制設(shè)備可以快速處理信號選擇與切換，方便快捷的控制設(shè)備操作過程，快速提高工作效率和準(zhǔn)確度。周邊設(shè)備包括信號源桌面接入系統(tǒng)，線纜、接插件、機柜、電源部分等等。

下面從設(shè)備選型方面，進(jìn)行簡單論述。

6.1 屏幕

應(yīng)用到邊緣融合大屏幕顯示系統(tǒng)中的屏幕必須兼顧視角、增益、對比度等多項指標(biāo)，必須具備如下特點，才可以應(yīng)用到邊緣融合大屏幕系統(tǒng)中：

*屏幕整張無縫：首先消除屏幕物理縫隙，不論選擇硬幕還是軟幕，只有確保屏幕整張無縫，才可以確保畫面沒有任何接縫。

*屏幕寬視角：邊緣融合屏幕必須確保具有較寬的視角，一般要求視角高達(dá)180度，否則，在光學(xué)重合區(qū)的光學(xué)消影很難處理均勻。

*屏幕增益：邊緣融合項目的屏幕增益，背投屏幕增益建議采用1.0或者更小增益，目前，應(yīng)用最多的背投屏幕的增益已經(jīng)下調(diào)到0.7，融合區(qū)域的效果，非常好。正投屏幕可以采用最高1.3的增益，不建議采用更高增益屏幕，否則，觀看視角受到很大限制，中間重合帶會很明顯。

*屏幕的均勻性：屏幕的均勻性一定要好，否則，很難保證整幅畫面的亮度、均勻性。

*屏幕的平整性：不論采用框架屏幕還是電動屏幕，作為軟邊融合項目，屏幕的平整性是畫面一致性的基礎(chǔ)，必須確保屏幕自身具有較好的平整性。

*屏幕的對比度：建議屏幕具有較好對比度，但是對比度不要求太高，如果對比度過高，重合部分的影像將很難調(diào)試。

6.2 投影機

根據(jù)系統(tǒng)組成的屏幕大小，我們可以選擇投影機的型號和顯示技術(shù)。為了保證多臺投影機透射出的畫面具有同一亮度、統(tǒng)一色彩，大屏幕拼接中投影機的選型非常重要，我們主要依據(jù)如下幾點：

*投影機的亮度、對比度：投影機的亮度直接決定了屏幕的畫面亮度，所以，根據(jù)通俗的算法，畫面亮度每平方米在700ANSI流明，如果房間亮度比較高，而又選擇正投，建議增加15%左右。該算法比較容易，用投影機的平均亮度除以投射面積，即可得出，一般可以滿足安裝現(xiàn)場的環(huán)境要求。

*投影機的分辨率：投影機的分辨率可以根據(jù)信號源的分辨率進(jìn)行選擇，市場主流分辨率為XGA和SXGA+，都可以滿足投影需求。

*投影機的菜單調(diào)試項：作為邊緣融合大屏幕使用的投影機，一般采用專業(yè)的工程投影機，投影機中的調(diào)試菜單具有色彩、色溫、亮度、投影機光輸出、高低電平的灰度等級等多項參數(shù)可以單獨調(diào)試，只有這樣，才可調(diào)試出整幅色彩、亮度一致的投影機。

*鏡頭位移：工程投影機一般都會具有鏡頭位移可調(diào)項，每個型號的投影機可調(diào)范圍都不相同。在拼接中，鏡頭位移可調(diào)大大方便了投影機物理位置的調(diào)試。

在邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)中，投影機的調(diào)試比較復(fù)雜，首先確保調(diào)試好物理位置再調(diào)試光學(xué)項目。調(diào)試物理位置時，不建議使用投影機的電子梯形校正調(diào)試畫面的大小和方正?？傊队皺C的選擇請根據(jù)客戶預(yù)算和功能進(jìn)行選擇。

6.3 邊緣融合拼接處理器

邊緣融合拼接處理器直接影響了畫面的質(zhì)量，拼接效果顯而易見，邊緣融合拼接處理器是一個支持多輸入、多顯示的控制設(shè)備，提供靈活的數(shù)字/模擬輸入和輸出選項、強大的軟件功能，可以窗口方式顯示一系列輸入信號源窗口，并且還能夠提供多種顯示效果，比如Alpha邊緣融合、色度鍵控和次序控制。每個控制器最多支持多個可完全定義的輸入或輸出，并且還支持標(biāo)準(zhǔn)的DVI A/D輸出，可直接尋址任何兼容DVI格式的數(shù)字投影機，每一輸出可建立直至UXGA(1600x1200像素)的高速連接。邊緣融合拼接處理器主要具備以下幾方面功能：

*具有圖像邊緣衍生功能：邊緣融合設(shè)備必須衍生出重疊部分的多余圖像，否則，畫面不具有重疊功能，則無法進(jìn)行融合調(diào)試。圖象重疊部分，一般融合不小于畫面的15%，或者在200個像素以上。

*具有伽瑪校正功能：重合區(qū)域的色彩伽瑪校正功能，確保圖像色彩一致。

*具有邊緣融合功能：允許對所選擇的信號輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯寞B加。融合率可由用戶自己定義，一般為15%以上。具有色度羽化功能，淡變?nèi)诤喜糠值纳屎土炼取?/p>

*具有色度鍵控功能：可以調(diào)試重合部分的色溫、色度，確保全屏幕的色彩高度一致性。

*具有次序控制功能：可以對重合部分的邊緣進(jìn)行分次調(diào)整，具有次序控制功能。

*具有視窗功能：可以按像素精度定義視窗的位置和大小，由此來顯示窗口的輸入。水平和垂直尺寸均可單獨調(diào)整。

*直觀的軟件操作界面：邊緣融合拼接處理器具有很方便的軟件操作界面，便于用戶操作和維護。

*輸入輸出和直觀的效果控制功能：對于畫面的窗口控制和信號源控制，必須做到直觀的控制功能，提高操作效率。

6.4 軟邊融合大屏幕拼接系統(tǒng)的信號處理設(shè)備

大屏幕拼接系統(tǒng)中的信號處理設(shè)備，功能比較多，設(shè)備范圍比較廣，格式轉(zhuǎn)換也比較多。下面就介紹矩陣切換器和信號格式轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸設(shè)備等。

*矩陣：主要完成大屏幕計算機和視音頻信號的選擇切換功能。大屏幕投影機的數(shù)量比較多，信號源也比較多，每路信號可以任意調(diào)用，切換，輸送。矩陣的選擇一般根據(jù)帶寬、格式、輸入輸出數(shù)量、切換通道記憶、是否易控等指標(biāo)進(jìn)行選擇。

*倍頻器和降頻器：主要完成復(fù)合視頻信號和VGA信號之間的相互轉(zhuǎn)化，利于傳輸和切換。

*信號傳輸設(shè)備：計算機信號可以通過雙絞線、光纖等遠(yuǎn)距離傳輸給投影機，當(dāng)然，需要相關(guān)設(shè)備。

*信號放大驅(qū)動設(shè)備：確保信號遠(yuǎn)距離傳輸，圖像顯示不失真、無虛影、不拖尾。

6.5 集中控制系統(tǒng)

主要控制投影機的開關(guān)、簡單調(diào)試，控制現(xiàn)場燈光調(diào)節(jié)，控制信號的切換和輸送，控制部分設(shè)備的操作如DVD等。集中控制設(shè)備目前技術(shù)比較成熟和完善，選擇時主要依據(jù)需要被控的產(chǎn)品數(shù)量和型號來選配合適的控制主機，控制界面可以選擇無線或者有線的觸摸屏，同時也可以選擇使用計算機進(jìn)行控制，方式方法都比較靈活。

6.6 周邊設(shè)備

周邊設(shè)備主要是指完成整套系統(tǒng)需要的其他外圍設(shè)備，如：線纜、接口件（BNC、VGA、RJ45等接口件），機柜、UPS。

結(jié)語

近幾年，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，邊緣融合無縫拼接技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了很成熟的階段，目前已廣泛應(yīng)用于指揮控制、虛擬仿真、工業(yè)制造設(shè)計、科學(xué)研究、復(fù)雜決策和視覺娛樂等領(lǐng)域，特別是在數(shù)字城市仿真領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。展望未來，邊緣融合無縫拼接技術(shù)將朝著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、調(diào)試簡便化、操作人性化的方向發(fā)展，使越來越多的人能夠享受全新的視覺體驗。

[1]俞凌云，王毅剛，王亢.大屏幕投影系統(tǒng)中基于軟件的無縫拼接技術(shù)[J].2009-05-15

[2]俞凌云，王毅剛，王亢.大屏幕無縫拼接系統(tǒng)的應(yīng)用軟件平臺開發(fā)[J].2008-09-01